KOREKCJA BŁĘDÓW W REFLEKTOMETRYCZNYCH POMIARACH DŁUGOŚCI ODCINKÓW SPAWANYCH TELEKOMUNIKACYJNYCH ŚWIATŁOWODÓW JEDNOMODOWYCH

Transkrypt

1 KOREKCJA BŁĘDÓW W REFLEKTOMETRYCZNYCH POMIARACH DŁUGOŚCI ODCINKÓW SPAWANYCH TELEKOMUNIKACYJNYCH ŚWIATŁOWODÓW JEDNOMODOWYCH dr inż. Marek Ratuszek, mgr inż. Zbigniew Zakrzewski, mgr inż. Jacek Majewski, mgr inż. Józef Zalewski, mgr inż. Małgorzata Ratuszek INSTYTUT TELEKOMUNIKACJI ATR BYDGOSZCZ Bydgoszcz ul. Prof. S. Kaliskiego 7 Streszczenie Zaprezentowano wyniki reflektometrycznych pomiarów długości odcinków spawanych telekomunikacyjnych światłowodów jednomodowych. Stwierdzono istotne, rzędu kilku metrów, wydłużenie mierzonych długości odcinków w stosnku do rzeczywistych ich długości jeżeli pomiar wykonywano od reflektometru do spawu oraz skrócenie długości, gdy pomiar wykonywano od spawu do zdarzenia typu odbicie (koniec trasy). Badania wykonano przy użyciu reflektometrów kilku typów w pasmie 1310 nm i 1550 nm. Przedstawiono analizę i możliwe przyczyny błędów pomiarowych oraz sposób korekcji tych błędów. 1. Wprowadzenie Zasadę pracy reflektometru przedstawiono na rys.1. Rys. 1 Reflektometr światłowodowy-zasada pracy. Generator impulsowy steruje laserem półprzewodnikowym (LD), który wstrzykuje ciąg impulsów światła do światłowodu (SW). W czasie propagacji impulsy światła ulegają rozpraszaniu. Część rozpraszanej mocy powraca do reflektometru. Sprzęgacz kierunkowy (SK) separuje falę rozpraszaną od padającej a moc rozpraszana jest kierowana do odbiornika optycznego z fotodiodą PIN lub APD, gdzie jest uśredniana, przetwarzana na sygnał elektryczny i analizowana [1]. 225

2 Wstrzykiwane do światłowodu impulsy optyczne charakteryzuje moc szczytowa P o o wartości 10 mw i więcej, czas trwania t o wartości od kilku nanosekund do kilku mikrosekund oraz częstość powtarzania od 1 khz do 20 khz. Małe częstotliwości repetycji stosuje się do długich światłowodów a duże dla włókien krótkich. Częstotliwość repetycji musi być tak dobrana, aby powracający sygnał ze światłowodu nie zachodził na impuls wstrzykiwany. Impuls optyczny w światłowodzie propaguje z prędkością grupową: Vg co ng = (1) gdzie: c - prędkość światła w próżni, n g - grupowy współczynnik załamania światła w rdzeniu. Wstrzyknięty impuls optyczny zajmuje odcinek światłowodu o długości x= t v g. Analiza mocy rozpraszanej i odbitej, wstrzykiwanych impulsów, w funkcji czasu jest równoważna analizie w funkcji odległości od miejsca pomiaru, przy znanym grupowym współczynniku załamania n g. Moc rozpraszania wstecznego P rw (x) widzianą przez reflektometr, a pochodzącą z odcinka x odległego o x, można przedstawić wzorem [2] : 2αx Prw ( x )= S α s x Po k (2) gdzie: x t v g = 2, t - czas przejścia przez światło drogi 2x, P o - szczytowa moc impulsu wstrzykniętego do światłowodu [mw], S - bezwymiarowy współczynnik rozpraszania wstecznego, α S -współczynnik rozpraszania Rayleigha [1/km], α - tłumienność jednostkowa światłowodu [db/km], k - łączna sprawność sprzęgacza SK i odbiornika APD, x = t v g - długość impulsu, t - czas trwania impulsu. 226

3 Poziom mocy rozpraszanej (1), a zatem mierzonej przez APD (rys.1), jest proporcjonalny do mocy szczytowej impulsu w odległości x od reflektometru i czasu trwania impulsu. Przy obliczaniu poziomu mocy rozpraszanej docierającej do odbiornika należy brać pod uwagę dwukrotne tłumienie w światłowodzie : dla impulsu padającego i dla sygnału rozpraszanego. To samo dotyczy czasu. Zamiana odczytu czasu na długość drogi w światłowodzie odbywa się dzięki znajomości grupowego współczynnika załamania. Analiza rozpraszania wstecznego (1) umożliwia wyznaczenie między innymi: tłumienności, tłumienności jednostkowej, tłumienności wtrąconej (strat) w miejscach zgięć, spawów, zdarzeń odbiciowych, długości światłowodu. 2. Pomiar długości dwóch odcinków spawanych Do badań użyto jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych o następujących parametrach : NA=0.13, MFD 1310 nm = 9.3 ± 0.5 µm, MFD 1550 nm = 10.5 ± 1.0 µm, n g = 1.47 (1310 i 1550nm), α 1310 nm 0.40 db/km, α 1550 nm 0.25 db/km. Przed spawaniem, długość światłowodów mierzono metodą reflektometryczną poprzez pomiar odległości impulsu odbitego od końca światłowodu. Do reflektometrycznych pomiarów długości odcinków spawanych i tłumienności spawów zastosowano metodę LSA (Least Square Approximation). Przykład realizacji metody LSA, czteropunktowej, przedstawiono na rys

4 Rys. 2 Ilustracja metody czteropunktowej. Pomiary przeprowadzano reflektometrami EXFO FCS-100, Siemens K2310, Tektronix TFS3030 FiberMini, dla różnych długości impulsów oraz dla λ = 1310 i 1550 nm. Przyjęto n g =1.47. Stwierdzono, metoda LSA i pomiar automatyczny, znaczne wydłużenie, w stosunku do mierzonych metodą odbiciową, długości odcinków przed spawem l 1 -rys.2 i skrócenie długości odcinków za spawem l 2 -rys.2. Ekstremalne różnice dochodziły do 8 metrów na kilometrowych odcinkach spawanych światłowodów. Natomiast pomiar długości trasy l 1 +l 2 zespawanych światłowodów, mierzony na odbicie, w granicach błędu ±2m, zgadzał się z sumą l 1 i l 2 oddzielnie mierzonych przed spawaniem światłowodów. Zatem pomiar długości odcinków spawanych jest obarczony dużym błędem. Ma to bardzo duże znaczenie przy lokalizacji spawów w istniejących liniach światłowodowych. 228

5 2.1 Wybrane wyniki pomiarów Reflektometr EXFO FCS-100 A. Pomiar l 1 i l 2 przed spawaniem (odbicie) λ = 1310 nm λ = 1550 nm t [ns] l 1 [m] l 2 [m] Średnia wartość sumy l 1 +l 2 =1901m. B. Pomiar l 1 + l 2 (odbicie od końca trasy) po zespawaniu. Dla λ=1310 nm i λ=1550nm oraz różnych t impulsów, długość trasy zmieniała się w zakresie m. Zatem można uznać, że suma l 1 i l 2 z pomiarów cząstkowych (A) jest zgodna z pomiarami całej trasy. C. Pomiar l 1 i l 2 po zespawaniu (metoda LSA). Pomiar długości l 1 wykonywano od strony l 1 a l 2 od strony l 2. λ = 1310 nm λ = 1550 nm t [ns] l 1 [m] * * l 1 [m] 5.15 * * l 2 [m] * l 2 [m] 5.30* * pomiar obarczony dużym błędem l 1 = l 1 (pomiar po spawaniu) - l 1 (pomiar przed spawaniem), l 2 = l 2 (pomiar po spawaniu) - l 2 (pomiar przed spawaniem). 229

6 Porównywalne wydłużenie mierzonych odcinków można uzyskać, gdy zamiast spawu zdarzeniem będzie zgięcie światłowodu. Wydłużenie mierzonych odcinków tych samych światłowodów spawanych, w stosunku do rzeczywistych długości, obserwowano również przy pomiarach innymi typami reflektometrów. 3. Analiza i możliwe przyczyny błędów pomiarowych Reflektometr jest miernikiem mocy rozpraszanej (1) proporcjonalnej do mocy szczytowej impulsu, w odległości x od reflektometru, i czasu trwania impulsu - czyli pola impulsu. Dlatego też długie impulsy stosuje się do pomiarów długich tras mimo strat w rozdzielczości. Impulsy optyczne charakteryzują się czasem narostu i opadania -rys.3. a) b) Rys. 3 Reflektometr EXFO FCS-100. Przykładowe kształty impulsów : a) t=30 ns, b) t=275 ns. Z naszych pomiarów wynika, że czasy narostu dla impulsów 30 ns, 100 ns, 275 ns są dla różnych reflektometrów porównywalne, nieco większy czas narostu obserwuję się dla impulsów 1000 ns. Natomiast regułą jest, dla wszystkich przebadanych przez nas 230

7 reflektometrów, że szerokość rzeczywistych impulsów optycznych przekracza parametry zadane. Długość impulsu, naszym zdaniem, nie wpływa jednak na wydłużenie długości odcinków spawanych (oprócz impulsów 30 ns). Reflektometry charakteryzują się minimalnym poziomem mocy odbieranej, poniżej którego reflektometr nie odróżnia sygnału od szumu. Jest to związane z czułością odbiornika optycznego zastosowanego w reflektometrze. Wydłużenie mierzonych odcinków spawanych jest, naszym zdaniem, związane z wyżej wymienionymi cechami reflektometru. Rys. 4 Schematyczne przedstawienie zmiany mocy rozpraszanej. Moc rozpraszana docierająca do reflektometru, zgodnie z (1), jest proporcjonalna do pola powierzchni impulsu -rys.4a. Reflektometr rejestruje czas wstrzyknięcia impulsu do światłowodu, zapamiętywany jest czas początku impulsu. Jeżeli na trasie impulsu nastąpi zdarzenie typu spaw jest ono widziane przez reflektometr jako zmniejszanie się mocy rozpraszanej P rw (x) pochodzącej od impulsu. Zmniejszanie się mocy rozpraszanej jest rejestrowane od momentu, w którym zmiana mocy rozpraszanej reprezentowanej przez pole II - rys.4b przedstawia poziom mocy możliwy do rejestracji przez reflektometr jako sygnał. Do tego momentu reflektometr nie widzi zdarzenia. Im większa czułość odbiornika optycznego tym mniejsze pole II zauważane jako zmiana. Tego typu odbiór 231

8 powoduje, że czas rejestracji zdarzenia wydłuża się o 2 t 1 -rys 4b. Zatem mierzona długość odcinka spawanego (rys.2) wynosi : 2( t+ t1 ) v g l1 = 2 (3) Wydłużenia nie obserwuje się mierząc całą długość trasy l 1 +l 2 (ze spawem) metodą odbiciową, gdyż poziom mocy odbitej jest o kilkadziesiąt db większy od mocy rozpraszanej. Pole II jest w tym przypadku minimalne. Potwierdzeniem przedstawionej analizy jest fakt większego wydłużenia się mierzonych odcinków spawanych w przypadku pomiarów dłuższych światłowodów. Jest to związane ze zmniejszeniem się mocy szczytowej impulsu na większej odległości x. W takim przypadku pole II -rys.4b dla zachowania tej samej powierzchni musi reprezentować większy czas t Pomiary trasy złożonej z czterech odcinków spawanych Potwierdzeniem wyżej przedstawionej analizy są również pomiary długości czterech odcinków spawanych telekomunikacyjnych światłowodów jednomodowych - rys. 5. Do badań użyto jednomodowych światłowodów telekomunikacyjnych o parametrach przedstawionych w rozdziale 2. Rys. 5 Schematyczne przedstawienie pomiarów długości czterech odcinków spawanych 232

9 4.1 Wybrane wyniki pomiarów Reflektometr EXFO FCS-100 A. Pomiary l 1, l 2, l 3, l 4 przed spawaniem (odbicie) dla λ=1310 nm i długości impulsu t=275 ns : l 1 = 312 m, l 2 = 291 m, l 3 = m, l 4 = 1110 m; l 1 + l 2 + l 3 + l 4 = m B. Pomiary l 1, l 2, l 3, l 4 po zespawaniu jak na rys. 5 dla λ=1310 nm i długości impulsu t=275 ns : l 1 = m, l 2 = m, l 3 = m, l 4 = 1104 m; l 1 + l 2 + l 3 + l 4 = m C. Pomiary odcinków l 5 i l 6 jak na rys. 5 dla λ=1310 nm i długości impulsu t=275 ns są sumą l 5 = l 1 + l 2, l 6 = l 1 + l 2 + l 3 + l 4 (długość l po zespawaniu) Po zespawaniu, pomiary wykazały wydłużenie odcinka l 1, co jest zgodne z analizą przedstawiona w rozdz. 3. Odcinki l 2 i l 3 uległy nieznacznemu wydłużeniu, gdyż znajdują się między dwoma spawami. Pierwszy spaw skraca ich długość a drugi wydłuża. Wydłużenie na drugim spawie jest nieco większe niż skrócenie na pierwszym spawie, gdyż na skutek zwiększenia się x - (2) zmniejsza się P rw (x) co prowadzi do zwiększenia t 1 - rys.4b. Na końcu trasy występuje skrócenie odcinka l 4, gdyż ostatni spaw skraca długość l 4 - rys.5, a na końcu trasy następuje odbicie impulsu optycznego powodując, że pole II - rys.4 jest w tym przypadku minimalne. 233

10 5. Wnioski Zmiany mierzonych długości odcinków spawanych światłowodów zależą od czułości reflektometru, długości odcinków spawanych, tłumienności spawanych światłowodów. Szczegółowa, ilościowa metoda korekcji mierzonych odcinków spawanych różnych typów telekomunikacyjnych światłowodów jednomodowych jest przedmiotem zgłoszenia patentowego. Literatura 1. A. Kowalski, Reflektometry światłowodowe, Przegląd Telekomunikacyjny, No 10, pp , Materia³y firmowe : Hewlett-Packard, Siemens, Exfo, Wandel&Goltermann. 234